綜合測井技術在瀏陽河隧道勘察中的應用分析

李再榮

湖南省地質礦產勘查開發局四一六隊，湖南株洲 412000

綜合測井技術在瀏陽河隧道勘察中的應用分析

李再榮

湖南省地質礦產勘查開發局四一六隊，湖南株洲 412000

傳統物探方法在復雜埋深、長大隧道的地質勘察中存在深部信號弱、分辨困難的問題，鑒于此，綜合測井技術在該類隧道的工程地質勘察中得到廣泛應用。本文對國內常用的測井技術進行了方法原理介紹，并依托武廣客運專線瀏陽河隧道勘察項目，以17號鉆孔綜合測井為例，分析了各測井物理參數曲線形態上呈現異常變化特性，推測了巖石破碎帶等不良地質體的位置、規模及類型，并據此獲取了隧道圍巖等級，對鉆探資料進行了補充和驗證，為隧道設計、施工提供了可靠依據。

隧道；砂巖；綜合測井

Tunnel; Sand stone; Comprehensive logging

前言

對于復雜的深埋、長大隧道的工程地質勘察，是一個國際性的難題[1]，為查明隧道穿越地層的地質情況，目前工程界主要采用地質物探、鉆探、測井各種孔內水文試驗和地應力測試等多種勘探測試手段。由于隧道所處地形、地質條件的特殊性，造成物理場分布嚴重畸變，形成各種形態的假異常，地形的復雜多變使得很難找到合適的矯正模型把有用的構造或地層異常從地形干擾異常中分離出來。此外，由于埋深大，深部的信號強度弱，分辨更加困難，因此地面物探工作沒有特別好的解決辦法。測井技術利用聲波速度、視電阻率、自然電位、放射性、溫度、井中電視等技術手段，判斷洞身巖層風化破碎程度以及含水層及補給關系，進而對整個隧道洞身通過的巖性特征進行一個宏觀的判斷，因此在確定地層、解決不良地質體及水文地質問題中發揮了重要作用[2]。

1 測井技術方法原理

測井技術最早出現與20世紀早期。1921年，巴黎礦業學院第一次進行了人工電場測量，并于1927 年由法國斯倫貝謝公司成功測出了第一條電阻率曲線。我國的測井工作始于1939 年，當年12 月，著名地球物理學家翁文波先生在四川巴縣石油溝1號井用1m 電位電極系成功測得第一條電阻率曲線[3]。

測井技術的發展，經歷了四個階段，第一階段為半自動測井，應用多線簡單地測量地層的電阻和自然電位。測井技術發展的第二階段為數字測井，在此階段廣泛應用了電子技術和計算機技術。大容量的數據傳輸及計算機處理技術的應用，由此帶來了測井技術第三階段的發展。第四階段主要為高可靠、高集成和高精度測井時代，集成了自然電位、電位電阻率、梯度電阻率、人工伽瑪、自然伽瑪、聲速、井徑，鹽化擴散法等測井方法。

1.1 自然電位法

自然電位發是研究鉆孔巖層的電化學活動性為基礎的測井方法。根據測量巖層在自然條件下產生的電化學過程的結果來研究巖層的巖性和它的電化學性質之間的關系，從而解決地質問題。在孔隙、裂隙發育帶，由于地層水礦化度與井液礦化度存在差異，在含水層位置形成明顯的異常反映。自然電位曲線在泥巖層曲線平緩，為基線零值。因此，自然電位對含水層的確定，對泥質成分的變化是一種有效參數。

1.2 視電阻率法

視電阻率法是以研究巖石電阻率為基礎的測井方法。它是通過測量人工電場沿鉆孔剖面的變化來反映巖石電阻率的變化，從而解決地質問題。視電阻率方法包括電位電阻率和梯度電阻率。一般采用的電位電極系為A0.1M1.0N，電極距L=0.1m，探測半徑r=0.2米，主要用于劃分鉆孔地質剖面，進行區域地質構造分析和確定含水層層位。梯度電極系為M0.1N1.0A和A1.0M0.1N頂底兩種，電極距L=1.0米，探測半徑r=1.41米，因此，梯度電極系探測范圍大于電位電極系，其電阻率值更接近地層的真電阻率。另外，梯度電極系具有極大值明顯，界面陡峭，易于比較精確地確定高阻巖層界面的優點。

1.3 人工伽瑪（密度）法

該法是以研究巖石對伽馬射線的散射和吸收強度來研究巖層的，被測定的散射伽馬射線強度與地層密度有密切關系。因此人工伽瑪是劃分地層、判斷破碎、裂隙帶的一種有效參數。人工伽瑪在套管內和水位以上仍然能夠測量，因此對套管和水位以上的地層分析起到了其他參數無法替代的作用。

1.4 自然伽瑪法法

自然伽瑪測井是以記錄鉆孔地質剖面中各巖層的自然放射性強度為基礎的。不同巖層，其放射性物質含量不同，因而不同巖層在自然伽瑪測井曲線上就有不同的反映。自然伽瑪強度一般與泥質含量成正比，利用鉆孔或區域地層中較純的泥巖和較純砂巖為參照，根據自然伽瑪的強度變化確定地層的泥質含量。

1.5 聲速測井法

是以研究井下巖層的聲學特性為基礎的測井方法。在沉積巖中聲波的傳播速度與巖石的強度和密度有密切關系。一般速度隨強度和密度的增加呈線性增大。巖層的疏松、裂隙對聲波傳播速度有明顯衰減。因此聲速測井是確定破碎、裂隙帶的一種有效參數。利用聲波縱波速度，可確定圍巖等級。

1.6 鹽化擴散法

主要是通過人工鹽化井液或在井內造成一個鹽水柱，使井液與地層水淡水之間有明顯的電阻率差異，在地層水的自然滲透作用下，鹽化后的井液或鹽水柱將隨時間發生淡化和移動，其變化幅度的大小取決于地下水的滲透速度。根據鹽化曲線的變化位置、移動速度、變化幅度，可確定含水層位置、滲透性強弱、流速、涌水量及運動規律。

1.7 井徑法

在鉆探過程，由于地層性質不同，有的地層疏松，如砂層、疏松礫巖、風化破碎帶，在鉆進過程中易坍塌，使井徑擴大；而有的地層，如黏土膨脹性較大，使井徑略有縮小。因此，井徑資料對判斷鉆孔結構，劃分地層巖性具有一個的輔助作用。在測井資料解釋中一些參數的定量解釋，必須有井徑資料進行校正。

2 工程概況

瀏陽河隧道位于長沙市東，撈刀河以南，止于黎托鄉平陽村。線路從星沙鎮至彭家港的瀟湘西路附近起，隧道下穿瀟湘西路、星沙鎮物流場、京珠高速公路、長永高速、星沙鎮市區、長沙市遠大路、人民路、瀏陽河、機場高速公路，于黎托鄉平陽村出地面。自北向南依次穿過長沙市開福區撈刀河鎮、芙蓉區東岸鄉、雨花區黎托鄉等。隧道全長1 0 1 2 0 m，進口起始里程DIIK1560＋550，出口終止里程為DIIK1570＋670，隧道建筑長度10300m，起始里程DIIK1560＋550，終止里程為DIIK1570＋850。

隧道挖段開挖側壁巖性為有種植土、沖積粉質黏土、沖積粉土、沙礫石層，以及全至弱風化泥質粉砂巖等。第四系土層較松散、軟弱，自穩能力差，沙礫石層含較豐富的孔隙水，豐水期且具承壓性質，隧道開挖時會產生涌水現象，導致基坑失穩。基槽底板為弱風化泥質粉砂巖等，巖體完整，可作鐵路路基持力層，但屬于軟質巖，易風化，遇水易軟化。

所使用的儀器設備如表1所示，已按有關規程要求進行了調試標定，野外工作嚴格按《鐵路工程物理勘探規程》（TB10013-2004）和《煤田地球物理測井規范》執行，儀器性能良好，工作穩定正常。

表1 儀器設備一覽表

3 資料分析與成果綜合解釋

3.1 隧道17號鉆孔

該孔位于武廣客運專線DK1562+000左7.00m位置，孔口標高59.54m，鉆孔深35.20m。鉆探揭露的地層有：填筑土、礫砂、粉砂質泥巖和泥質砂巖。進行了自然電位、電位電阻率、梯度電阻率、人工伽瑪、自然伽瑪、聲速、井徑等測量。電阻率實測曲線、人工伽瑪實測曲線、聲速曲線如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 17號鉆孔電阻率實測曲線

3.2 地層劃分

該孔套管下至7.00m，套管內地層劃分建議采用鉆探資料。7.00～10.20m為粉砂質泥巖，電阻率曲線呈低阻反映，人工伽瑪、聲速為高異常，有擴徑現象，說明地層風化強烈，巖體破碎；10.20～12.00m電阻率曲線呈較高阻反映，測井認為為砂巖層，人工伽瑪和聲速曲線較高異常反映，說明巖體破碎；12.00～13.90m為粉砂質泥巖，電阻率低阻反映，人工伽瑪高異常，說明巖體較破碎；13.90～15.20m由電阻率高阻反映說明為砂巖層，巖體完整；15.20～21.30m為泥質砂巖，各曲線反映巖體完整；21.30～22.40m高電阻率說明為砂巖層；22.40～32.00m為泥質砂巖。該孔測井范圍至孔底32.00m，34.00m以下砂礫巖未反映到。

圖2 17號鉆孔聲速測井實測曲線

表2 測井綜合解釋成果表

圖3 17號鉆孔人工伽瑪測井實測曲線

3.3 地層物性特征分析

孔內被套管隔離的地層，無法取得電性、聲波、井徑等參數資料，放射性參數也受屏蔽影響有一定的衰減，故在套管內地層建議采用鉆探分層資料。各地層物性特征見表2。

由以上物性特征可見，砂巖層電阻率相對較高，在曲線形態和數值上，與砂質泥巖類形成明顯的區別。

并基于測井數據，可以得出隧道洞身17.50～27.50m范圍為泥質砂巖夾砂巖層，較完整。圍巖級別Ⅲ-Ⅳ級。

4 結論

測井技術作為一門成熟的學科，在礦產資源勘探和解決相關地質問題中得到了廣泛的應用。利用測井方法解決純地質問題，特別是不良地質問題這方面的應用還不多。本文結合武廣客運專線瀏陽河隧道地質勘察項目，利用該技術準確判斷出了地層中巖石破碎帶等不良地質體的位置、規模，并確定了隧道的圍巖等級，對以后隧道的綜合測井資料的分析具有指導作用。

(1)砂巖層電阻率相對較高，在曲線形態和數值上，與砂質泥巖類形成明顯的區別；

(2)砂巖層發生破碎的幾率較大，且巖石破碎帶人工伽瑪測井曲線和聲速測井曲線往往較高，電阻率測井曲線較低，施工中需要加以重視；

(3) 基于測井數據，可以得出隧道洞身17.50～27.50m范圍為泥質砂巖夾砂巖層，較完整。圍巖級別Ⅲ-Ⅳ級。

[1]杜彥軍.綜合測井技術在太行山隧道勘查中的應用[J].鐵道工程學報.2006.8,(05).77-81

[2]審建平.何紅生.測井技術在灰巖地區隧道深孔勘探中的應用[J].中國煤田地質. 2004.6,(03).57-60

[3]郭嗣杰，劉東友，田彥民. 測井儀技術的發展趨勢[J].艦船防化. 2006.(02).43-46

Application of the Comprehensive Logging Technology in Engineering Investigation ofLiuYang River Tunnel

Li Zairong
Hunan geologic and mineralexploration bureau team 416, Zhuzhou, Hunan, 412000

Because of the poor signal and bad recognition, the traditional geophysical exploration methods existed some problems in the tunnel geological survey which is under the complicated geological conditions. So comprehensive logging technology is widely used in the tunnel geological survey of this kind. In this paper,the principles of common comprehensive loggingtechnology in China is introduced, and based on the geological survey project of LiuYang River along WuGuang passenger transportation line, we analysis the variable feature of physical parameters curve of 17th comprehensive logging, surmise the position, dimension and type of the bad geologic body such as brokenrock zone, and at last obtain the strength level of wall rock. Our work supply the supplementary to the original drill data, and provide the reliable foundation for the tunnel design and construction.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.14.026